Інтелектуальна система регулювання режимів роботи сонячної електростанції
Вантажиться...
Дата
2025
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Хомяк А.О. Інтелектуальна система регулювання режимів роботи сонячної електростанції. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктор філософії за спеціальністю 141 –«Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» (14–Електрична інжерерія). – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Дисертаційне дослідження «Інтелектуальна система регулювання режимів роботи сонячної електростанції» присвячене актуальному науковому завданню підвищення рівня енергоефективності енергосистеми України шляхом розроблення моделей та методів моніторингу, прогнозування та контролю для забезпечення енергетичної стійкості країни. Для аналізу проблем галузі було обрано сонячні електростанції, що є джерелами відновлюваної енергетики. Дисертаційне дослідження відповідає пріоритетному напрямку розвитку країни: «Енергетика та енергоефективність» (Енергоефективність і енергозбереження, ринки енергоресурсів; Енергоменеджмент, інформаційно-аналітичне та нормативно-методичне забезпечення енергетичної галузі; Екологічно збалансована енергетична безпека ) що затверджений постановою Кабінету міністрів України від 7 вересня 2011 р. № 942 «Про затвердження переліку пріоритетних тематичних напрямів наукових досліджень і науково-технічних розробок на період до 2023 року» (в редакції постанови Кабінету Міністрів України від 9 травня 2023р. №463). У першому розділі розглянуто проблематику керування енергосистемою України, особливості функціонування енергосистеми України в умовах військової агресії російської федерації. Крім того, розглянуто питання прогнозування розвитку енергосистеми України та особливості впровадження розосередженої генерації в контексті стійкості енергосистеми України. Окремо розглянуто вплив відновлювальних джерел енергії на стійкість енергосистеми та проблему зниження інерційності енергосистеми. Визначено мету та завдання дослідження. Розглянуто українську енергетичну систему в моделі TIMES-Україна, яка містить в собі базу даних по економічній та енергетичній статистиці за 2005-2015 роки. Деякі ключові вхідні дані, такі як виробництво енергії, міжнародна торгівля, виробничі показники електростанцій і котлів були внесені за 2016-2018 р.р. в базу даних. З 21 квітня 2023 року було впроваджено нову Енергетичну стратегію України до 2050 року, де враховано дані то досвід, отриманий за час повномасштабного вторгнення російської федерації. Цим документом визначено посилення ролі енергетичної безпеки, та зміцнення стійкості енергосистеми, результати приєднання ОЕС України до європейської мережі операторів системи передачі електроенергії (ENTSO – E), поглиблення інтеграції енергетичної системи України в загальноєвропейську, наявність новітніх технологій(виробництво та використання водно, малі модульні ядерні реактори, установки зберігання енергії), технічні зміни в енергетичному секторі, світові тренди та інноваційні рішення, вимоги до екологічної безпеки згідно з нормами ЄС та прийнятим зобов’язанням України, міжнародні зобов’язання України щодо енергоефективності та використання відновлювальних джерел енергії, зменшення викидів парникових газів, децентралізація генерації електроенергії по всій території країни. Крім того стратегією передбачено досягнення Україною вуглецевої нейтральності енергетичного сектору до 2050 року. Також розглянуто нове програмне забезпечення GridOS від General Electric, яке планується до виходу на ринок у 2027 році. В основу програмного забезпечення лягло використання в якості альтернативних джерел отримання даних з PMU. Компанія GE працює над принципом Grid Data Fabric (Фабрика виробництва даних), що в свою чергу має перейти в ONM (One Network Model або модель однієї мережі). За такої моделі дані отримані від WAMS та PMU будуть збиратись в одному місці, порівнюватись між собою, аналізуватись і надаватись диспетчерам в зручному інтерфейсі, що дозволить спростити та пришвидшити реагування на проблеми, що виникають в енергосистемі країн світу. Мета. Підвищення ефективності застосування резервів енергосистеми для компенсації небалансів, що виникають при зміні навантаження на сонячних електростанціях. Здешевлення процесу компенсації небалансів, що виникають при зміні навантаження на сонячних електростанціях. Актуальність. Тема спрямована на підвищення енергетичної стійкості України та вирішення задачі компенсації небалансів внаслідок роботи сонячних електростації. Новизна теми полягає у розробленні нового підходу до керування сонячними електростанціями та реагування на відхилення частоти в енергосистемі за рахунок впровадження інтелектуальної системи регулювання режимами роботи сонячної електростанції, здатної до короткочасного планування з горизонтом планування більше 15 хвилин та отриманням сучасного інструменту превентивного реагування на виклики в енергосистемі України. Об'єкт: процес генерації електричної енергії сонячними електростанціями України. Предмет: показники генерації електричної енергії, коливання в енергосистемі, наявність резервів допоміжних послуг, а саме: резерву підтримки частоти, автоматичного та ручного резерву відновлення частоти, резерву заміщення. Завдання: 1. проаналізувати графік генерації електричної енергії на сонячній електростанції та його особливості; 2. проаналізувати методи компенсації небалансів в енергосистемі країн Європи; 3. проаналізувати проблеми зростання частки сонячних електростанцій в структурі генерації електричної енергії різних країн світу. Проаналізувати структуру генерації електричної енергії в різних країнах світу. Виконати порівняльний аналіз цін на допоміжні послуги з забезпечення резервів в різних країнах світу; 4. розробити алгоритм розрахунку ефективності роботи сонячних електростанцій; 5. розробити алгоритм прогнозування величини зміни генерації електричної енергії на сонячній електростанції; 6. розробити алгоритм передачі інформації від власника генеруючої установки до оператора системи передачі; 7. проаналізувати можливість збільшення стійкості та автономності роботи сонячної електростанції за рахунок встановлення УЗЕ та встановлення GridForming інверторів ; 8. розробити алгоритм та модель моніторингу сукупних відхилень від графіку генерації електричної енергії сонячними електростанціями. У Розділі 2 виконано аналіз роботи сонячної електростанції, графік генерації електричної енергії з 01.10.2022 00:00:00 по 27.09.2023 14:00:00. Масив даних на щохвилинній основі з значенням генерації електричної енергії на сонячній електростанції було переведено у відносні числа у порівнянні з максимальним значенням генерації електричної енергії на сонячній електростанції за відповідний період часу та усереднено на 15-хвилинному інтервалі часу. На основі отриманих даних було створено матрицю значень, яка в подальшому стала основою для побудови тривимірного графіку залежності значення генерації електричної енергії на сонячній електростанції відносно максимального значення у відсотках до часу. Проаналізовано відхилення фактичного графіку генерації електричної енергії від прогнозованого. Проаналізовано швидкість зміни генерації електричної енергії на щохвилинному та 15-хвилинному інтервалі часу, величину зміни генерації відносно максимального значення, середню швидкість зміни генерації на завантаження та розвантаження. Проаналізовано критерії оцінки якості частоти за SO GL, а саме перцентилі. Проаналізовано величину середнього значення генерації електричної енергії на погодинній основі за досліджуваний період часу. Проаналізовано зміни графіку генерації електричної енергії на сонячній електростанції з урахуванням сезонності за досліджуваний період часу та величину сумарної згенерованої енергії Запропоновано модернізацію сонячних електростанцій за рахунок впровадження системи короткочасного прогнозування з горизонтом прогнозування більше 15 хвилин та встановлення на станціях установок зберігання енергії з GridForming інверторами. На рівні оператора системи розподілу пропонується модернізація програмного забезпечення за рахунок програмного продукту від компанії General Electric під назвою GridOS. На рівні оператора системи передачі проаналізовано методи компенсації небалансів в країнах Європейського союзу, кошти що витрачають оператори системи передачі на компенсацію небалансів, враховуючи особливості ринку електричної енергії країн Євросоюзу. Проаналізовано вартість одного МВт резерву підтримки частоти та однієї МВт*год генерації електричної енергії на ринку електричної енергії в Європі. Запропоновано, за умови впровадження системи короткочасного прогнозування зміни величини генерації на сонячних електростанціях, головному диспетчерському пункту завчасно віддавати команди більш довгого та дешевого резерву відновлення частоти, що дозволить здешевити процес компенсації небалансу. За умови успішного впровадження та позитивного зворотного зв’язку пропонується масштабувати цей метод на всю енергосистему Євросоюзу. У Розділі 3 створено нейронні мережі, які аналізують інформацію, що буде надходити від сонячної електростанції. За результатами аналізу можна отримати інформацію стосовно положення Сонця та хмар на небі, швидкість та напрям руху, прогнозний час їх перетину та величину зниження генерації електричної енергії від прогнозного графіку. Нейронні мережі будуть продовжувати своє навчання в процесі практичної роботи на станції, відповідно буде зростати точність прогнозування. Дані для навчання нейронна мережа буде отримувати з камер в реальному часі за рахунок створення і оброблення зображення з дискретністю в 4 секунди, що зменшить навантаження на обладнання та необхідні обчислювальні потужності. Розпізнавання образів хмар реалізовано на базі згорткової нейронної мережі в середовищі програмування Python. Обробку отриманих результатів пропонується аналізувати на базі програмного забезпечення компанії General Electric під назвою GridOS. У четвертому розділі було створено метод рангових коефіцієнтів узгодженості для дослідження ефективності роботи сонячних електростанцій та запропоновано параметри для багатокритеріального алгоритму аналізу ефективності роботи визначених станцій. На прикладі показано алгоритм розрахунку для методу рангових коефіцієнтів узгодженості. Проаналізовано ціни, що склались на ринку допоміжних послуг в різних країнах Європи для резерву підтримки частоти та ціни на ринку на добу наперед. Проаналізовано структуру генерації різних країн Європи і принципи, які впливають на ціни, що склались на ринках електричної енергії в Європі. Побудовано порівняльні таблиці з результуючими цінами за 2023-2024 роки. За результатами аналізу було зроблено висновки, що середньозважена ціна, що склалась на ринку на добу наперед в Україні співставна з цінами більшості європейських країн, незважаючи на значний дефіцит електричної енергії через пошкодження критичної інфраструктури та генеруючого обладнання. На основі побудованих діаграм видно, що зміна ціни по країнах Європи має різнонапрямлений характер зі здешевленням для північної Європи та здорожчанням для південно-східної частини Європи. В країнах з значною часткою газотурбінних установок спостерігається зниження загальної ціни за рахунок зниження цін на ринку на добу наперед. В першу чергу це пов’язано з тим, що ціна на природній газ в Європі почала поступово знижуватись. Країни, які в своїй структурі генерації мають багато сонячних електростанцій та відсутні високоманеврові потужності стикнулись з значним здорожчанням послуг резерву підтримки частоти. Наукова новизна дослідження полягає у тому, що: 1. Запропоновано метод реагування на зміну величини генерації електричної енергії на сонячних електростанціях на основі короткочасного прогнозування з використанням інтелектуальних систем на базі нейронних мереж, що дозволило змінити підхід до балансування енергосистеми та здешевити процес за рахунок активації більш повільних, проте дешевших резервів відновлення частоти. 2. Запропоновано новий математичний метод рангових коефіцієнтів узгодженості та критерії до багатокритеріального аналізу ефективності роботи електростанцій, що дозволило збільшити швидкість реагування диспетчерського персоналу оператора системи передачі на відхилення в енергосистемі за рахунок ранжування сонячних електростанцій за ефективністю їх роботи та впливом на енергосистему. 3. Створено нейронну мережу для розпізнавання образів Сонця і хмар на небі та аналізу траєкторії їх руху, що дозволило отримувати прогнозні значення генерації електричної енергії на сонячних електростанціях в режимі реального часу та горизонтом прогнозування в 15 хвилин за рахунок використання згорткових нейронних мереж в середовищі програмування Python. Практичне значення. Розроблено метод рангових коефіцієнтів узгодженості, багатокритеріальний алгоритм аналізу ефективності роботи, створено інтелектуальну систему на базі нейронної мережі для аналізу положення Сонця і хмар, та подальшого прогнозування траєкторії їх руху. Створено новий метод активації допоміжних послуг для компенсації небалансів в енергосистемі, що дає змогу більш дешево компенсувати небаланси в енергосистемі за рахунок короткочасного прогнозування зміни величини генерації електричної енергії на сонячних електростанціях. Метод рангових коефіцієнтів узгодженості та багатокритеріальний алгоритм аналізу ефективності вже знайшов своє застосування в роботі НЕК «Укренерго». Дисертаційне дослідження складається з 249 сторінки, 4 додатки. Основна частина дисертації містить 44 рисунка та 19 таблиць.
Опис
Ключові слова
енергоефективність, стійкість енергосистеми, метод рангових коефіцієнтів узгодженості, багатокритеріальний алгоритм аналізу ефективності, інтелектуальні системи, нейронна мережа, сонячні електростанції, допоміжні послуги, ринок на добу наперед, структура генерації, резерв підтримки частоти, резерв відновлення частоти, кодекс системи передачі, energy efficiency, power system stability, method of rank coefficients of consistency, multi-criteria efficiency analysis algorithm, intelligent systems, neural network, solar power plants, auxiliary services, day-ahead market, generation structure, frequency containment reserve, frequency recovery reserve, transmission system code
Бібліографічний опис
Хомяк, А. О. Інтелектуальна система регулювання режимів роботи сонячної електростанції : дис. ... д-ра філософії : 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Хомяк Андрій Олегович. - Київ, 2025. - 249 с.